Comment enseigner les sciences et la technologie en cycle 3 ?

Pourquoi enseigner les sciences et la technologie à l’école ?

L’enseignement des sciences et de la technologie à l’école vise la construction d’un premier niveau de représentation objective de la matière et du vivant par l’observation, puis l’analyse raisonnée, de phé- nomènes qui suscitent la curiosité des élèves. Il prépare aussi ces derniers à s’orienter plus librement dans des sociétés où les objets techniques jouent un rôle majeur. Il s’inscrit dans le cadre du Plan de rénovation de l’enseignement des sciences et de la technologie à l’école, adopté en juin 2001.

Les sciences expérimentales placent l’élève face au monde des réalités objectives et sensibles, par opposition à celui des fictions et des virtualités ou à l’univers des valeurs. Elles forment son esprit, encouragent ses questions et stimulent son imagination en suscitant des hypothèses ; elles sollicitent son raisonnement et instituent en lui une relation avec le concept de vérité. Autant de composantes de l’intelligence qu’elles structurent et renforcent, tant par les démarches actives qu’elles appellent, que par les connaissances limitées mais précises auxquelles celles-ci aboutissent.

Les élèves apprennent ainsi à apprécier la justesse d’une observation, l’exactitude d’une description, la pertinence d’un raisonnement en fonction des phénomènes étudiés et de la question posée : cela les conduit à se « décentrer » de leur point de vue subjectif pour y intégrer les arguments d’autres personnes et les apports de l’expérience. La science familiarise l’élève à un monde régi par des lois et, de surcroît, profondément marqué par la technique : elle le forme à saisir des relations de cause à effet, des propriétés, des constantes, mais aussi les fonctions d’objets bien définis ou l’utilité de calculs précis, de montages raisonnés. Sans prétendre approfondir toutes les questions abordées, on amène les élèves à les envisager dans un esprit rationnel et curieux qui, prenant ses distances avec la pensée magique, cherche à les restituer dans un cadre d’intelligibilité (au sein des lois de la nature ou des effets que l’homme en tire). Cette attitude n’implique aucune « froideur » : elle est à l’origine d’une autre forme, moins naïve, d’émerveillement face à la force, à la beauté et à la subtilité des processus naturels. Cela mène à privilégier, chaque fois que possible, les démarches qui appuient les acquis sur une phase d’investigation suscitée par le maître, mais conçue et réalisée par les élèves, avec son aide, à partir de leurs interrogations et représentations préalables. C’est pourquoi la présentation des objectifs du cycle, en termes de connaissances et de compétences, est complétée par des recommandations touchant la conduite des activités scientifiques et technologiques.

L’enseignement des sciences contribue ainsi, d’une manière originale, à la formation des élèves de l’école primaire. Par l’aller et retour constant entre réalité sensible et réflexion intellectuelle – qui est le propre de toute recherche –, il entraîne l’élève à établir des liens méthodiques entre son expérience personnelle et les connaissances scolaires. Par la remise en cause des certitudes acquises ou des préjugés au contact de la mise à l’épreuve expérimentale, il illustre l’efficacité d’une approche empirique et raisonnée des faits. Par les relations qu’il établit, les propriétés ou les lois qu’il révèle, il donne aux élèves les repères dont ils auront besoin au collège pour aborder dans leur spécificité chacune des grandes disciplines expérimentales.

Comment enseigner les sciences et la technologie à l’école ?

L’enseignant(e) guide l’attention des élèves en direction du monde réel et sensible, sélectionne une situation de départ qui focalise leur curiosité, déclenche leurs questions et leur permet d’exprimer leurs idées préalables. Le maître incite à une formulation précise, tant du point de vue du langage utilisé que des représentations sous-jacentes. Il conduit la classe à sélectionner les questions qui se prêtent à une démarche constructive d’investigation, prenant en compte le matériel disponible et débouchant sur la construction des savoir-faire, des connaissances et des repères culturels prévus par les programmes.

Permettre aux élèves de construire leur propre savoir

L’enseignement des sciences et de la technologie à l’école doit permettre aux élèves de participer à la construction de leur propre savoir, il doit mettre à profit la curiosité des élèves et satisfaire celle-ci. Sa pédagogie engage les élèves dans des activités d’investigation et de réalisation à partir d’un questionnement, de propositions de mises en œuvre expérimentales, suscité et encadré par le maître dont une formation scientifique approfondie ne doit pas être considérée comme indispensable. La méthode proposée s’intègre dans les apprentissages fondamentaux (parler, lire, écrire, compter) et peut être mise en œuvre avec un matériel très simple. Les instructions de cette partie du programme sont à mettre en rapport avec les recommandations de la rubrique relative à la recherche de problèmes en mathématiques.

Les démarches expérimentales d’investigation

La démarche à mettre en œuvre obéit aux principes d’unité et de diversité.

Unité

Cette démarche s’articule autour du questionnement des élèves sur le monde réel : phénomène ou objet, vivant ou non vivant, naturel ou construit par l’homme. Ce questionnement conduit à l’acquisition de connaissances et de savoir-faire, à la suite d’une investigation menée par les élèves accompagnés par le maître.

Diversité

Les compétences et les connaissances attendues des élèves à l’issue du cycle sont construites dans le cadre d’une méthode qui leur permet d’articuler questionnement sur le monde et démarche d’investigation.

Grâce aux suggestions du maître, cette démarche peut recourir à diverses formes de travail, y compris au cours d’une même séance :

– expérimentation directe, à privilégier à chaque fois qu’elle est possible ; – recherche d’une solution technique et réalisation matérielle ; – observation, directe ou assistée par un instrument, avec ou sans mesure ; – recherche sur documents ; – enquête et visite.

La répartition entre ces méthodes d’accès à la connaissance est à équilibrer en fonction de l’objet d’étude.

Du questionnement à la connaissance en passant par une investigation expérimentale

Le maître met en place à partir du monde réel sensible une situation de départ qui suscite la curiosité des élèves et déclenche leurs questions. Il prend en compte leurs idées préalables.

L’exploitation du questionnement nécessite un travail de formulation, tant du point de vue de l’expression française que de celui du contenu précis de la question. Le maître joue à ce niveau un rôle de filtre. En justifiant ses choix, il guide la classe vers l’exploitation des questions, que l’on peut qualifier de « productives », qui satisfont à deux critères : – elles débouchent sur des expériences, des réalisations ou des observations sans danger matériel, ne soulevant pas d’objections éthiques, réalisables avec les moyens locaux et complétées le cas échéant par une recherche documentaire, pour laquelle la classe dispose de ressources accessibles au niveau des élèves (encyclopédies, cédéroms, sites Internet sélectionnés par le maître) ; – elles conduisent, à la suite de l’étude précédente, à une connaissance nouvelle, comprise dans les objectifs du programme, assimilable par les élèves, et dont l’accord avec le savoir constitué est assuré. Les questions des élèves ne peuvent cependant pas être le seul point de départ possible pour une activité scientifique. D’une part, les élèves ne vont pas imaginer tous les problèmes pertinents prévus par les instructions officielles. D’autre part, les programmations de l’enseignant ne peuvent pas être en permanence bouleversées par tel problème évoqué par tel élève. En revanche, il est important d’être attentif aux deux aspects suivants : – une question étant retenue, qu’elle vienne d’un élève ou de l’enseignant, le maître doit mettre en œuvre la stratégie et le matériel nécessaires pour que toute la classe se l’approprie. Poser un problème, donner aux élèves le temps d’y réfléchir, individuellement puis par petits groupes, confronter les hypothèses, mettre en relief les désaccords, créent une dynamique de classe. Le problème devient celui des élèves. Les désaccords sont alors source de motivation ; – une fois la classe engagée dans une problématique, toutes les questions qui surgissent en lien avec le sujet traité sont importantes à relever et méritent d’être traitées dans la mesure précisée plus haut. Outre son intérêt pour l’étude d’une question et la gestion matérielle, le travail en groupe donne aux élèves l’occasion de développer des attitudes comportementales : écoute, respect, coopération.

L’activité d’investigation est entreprise dans un but bien défini

Elle est finalisée par les questions à examiner et par les hypothèses à tester. Elle accorde toute sa place à l’erreur et lui donne un rôle moteur en autorisant les essais qui ne débouchent pas immédiatement sur la solution mais qui remettent en cause les idées initiales et concourent ainsi à la construction d’un nouveau savoir.

La séquence didactique comporte le plus souvent des observations ou des expériences menées par les élèves en petits groupes. Cette organisation du travail leur donne l’occasion de développer des attitudes d’écoute, de respect, de coopération. L’activité des élèves est la règle et les expériences magistrales sont rares. Elles sont justifiées par des impératifs de sécurité. Mais même lorsqu’elles s’imposent, elles n’ont pas à faire l’économie des autres phases de la démarche (questionnement, émission d’hypothèses, confrontations…). L’activité intellectuelle de l’élève reste la priorité, même lorsque l’enseignant manipule. Des moments de synthèse opérés par le maître n’en sont pas moins indispensables pour donner tout leur sens aux pratiques expérimentales et en dégager les enseignements.

Certaines parties du programme ne se prêtant pas aisément à des activités expérimentales, l’observation et la recherche documentaire ont leur place dans une démarche d’investigation. Cependant, tout particulièrement en cycle 3, il doit bien s’agir d’une recherche, et non de la lecture d’un document distribué aux élèves qui donne immédiatement la réponse à la question examinée.

Les réponses aux questions

Issue du questionnement, l’activité d’investigation et de réalisation n’est pas mise en œuvre pour ellemême. Elle doit conduire à une nouvelle connaissance sans laquelle il ne saurait y avoir de démarche réussie.

Pour autant, le maître ne peut pas répondre, de façon compréhensible et légitime, à toutes les questions des élèves. De très nombreuses questions relatives au monde proche et familier font encore l’objet de débats ardus entre spécialistes. La réponse à d’autres peut être trouvée dans des documents ; cela ne signifie pas nécessairement qu’elle puisse être donnée aux élèves. À cette occasion, on développera deux compétences mentionnées par le brevet informatique et Internet (B2i) : mettre en œuvre une consultation raisonnée du support d’information, comparer pour choisir à bon escient une consultation sur support numérique ou autre.

La réponse n’est pas toujours facilement compré- hensible par le maître, a fortiori transmissible telle quelle aux élèves. Parfois, c’est parce que l’on n’a pas choisi la référence de niveau adapté. Un ouvrage plus accessible peut « vulgariser » le sujet et proposer une réponse transférable. Tel n’est pas toujours le cas et il faut accepter que certaines questions restent sans réponse à ce stade de la scolarité.

Des réponses aux questions… aux prémices de la connaissance

Le plus souvent, la connaissance ne s’établit pas immédiatement et définitivement à l’issue de l’activité de recherche. Des activités complémentaires sont en général souhaitables pour permettre à l’élève de percevoir la pertinence et l’étendue de ce qu’il vient d’apprendre. Une connaissance nouvellement acquise sera plus solide si elle est mise en relation avec une autre, de façon à faire percevoir une cohé- rence qui n’apparaît pas spontanément. Il est de la responsabilité des enseignants d’envisager cet aspect comme partie intégrante de la démarche. Le savoir n’a pas vocation à encombrer la mémoire, mais à constituer une économie de pensée. La confrontation à des ouvrages de référence (manuels scolaires, documentaires scientifiques) complète l’apport de ces activités. Elle consolide les connaissances acquises et contribue à l’apprentissage de stratégies de lecture adaptées à la spécificité de ces textes. Un exposé du maître est parfois nécessaire, mais il ne doit toutefois jamais constituer l’essentiel d’une séance dans le cadre d’une démarche qui privilégie la construction du savoir par l’élève. Les technologies de l’information et de la communication (TIC) permettent une mise en commun avec d’autres classes des résultats envoyés par mes sagerie et de recueillir l’avis de spécialistes ou de consulter des experts, par exemple sur le site www.inrp.fr/lamap.

Science et maîtrise de la langue

Le renforcement de la maîtrise de la langue est un aspect essentiel de la méthode mise en œuvre. Le questionnement et les échanges auxquels elle donne lieu, la comparaison des résultats obtenus, leur confrontation aux savoirs établis sont autant d’occasions de découvrir les modalités d’un débat réglé visant à produire des connaissances. La description de ce que l’on voit, l’élaboration du projet d’investigation, l’argumentation soutenant les divers raisonnements qui, entre autres, y sont à l’œuvre sont autant de formes essentielles du langage oral. L’élaboration d’écrits permet de soutenir la réflexion et d’introduire rigueur et précision dans les démarches, comme dans les argumentations. L’élève écrit « pour lui-même » (prise de notes, brouillon…), pour mettre en forme les résultats acquis (texte de statut scientifique), pour communiquer ses travaux (texte de statut documentaire). La science est d’abord un discours sur le monde : elle nomme les objets et les phénomènes, elle nous parle de lui, dans son état et dans son devenir.

La matière, vivante ou non, est décrite par des lois précises ; le discours est faux s’il n’est pas lui-même précis, s’il n’emprunte pas à ces lois leur logique et leur rigueur. Parler, en science, impose donc à la fois un lexique exact (terminologie scientifique) et une syntaxe construite et claire.

De nombreux maîtres remarquent les progrès que font, dans la maîtrise du langage, les élèves qui pratiquent les sciences expérimentales et qui doivent, tout au long du cycle, dire et écrire (sur leur « carnet d’expériences ») l’aventure scientifique qu’ils vivent. La nécessité pour eux de mettre en cohérence leur dire et leur écrire avec une suite logique d’actes précis (le protocole expérimental) et de pensées contraintes (le raisonnement encadré par les faits) les oblige à un langage de sobriété et d’exactitude. C’est en fait tout au long de la démarche que l’élaboration d’écrits structure la pensée.

Leur rôle évolue entre deux pôles (pas nécessairement exclusifs l’un de l’autre) :

– les écrits « pour soi-même » dont le rôle est de piloter sa propre démarche et ses propres raisonnements ; – les écrits « pour les autres », souvent reconstruits, dont le rôle est communicationnel. Une communication par messagerie électronique permet une mise en commun avec d’autres classes. Ces différents écrits ont des statuts différents par rapport au savoir. Les écrits personnels représentent la connaissance du moment de l’élève. Les écrits produits à l’issue d’une confrontation sont socialement partagés. Après avoir été confrontés à la critique de la classe et à celle, décisive, du maître, les écrits scientifiques ou documentaires validés prennent le statut de savoirs, à condition, bien entendu, qu’ils soient conformes aux connaissances scientifiques établies.

L’élève utilise divers modes de communication et de représentation (textes, tableaux, dessins, schémas, graphiques…). La mise en forme grâce à des logiciels (traitement de textes ou tableur) peut contribuer à valoriser les productions des élèves (B2i). En complément (et non en substitution) au réel, elle met en œuvre de façon rationnelle des techniques de l’information et de la communication. Dans tous les cas possibles, le réel doit être préféré au substitut du réel (documents papier, photographies…), ce qui n’exclut pas une initiation aux divers modes de recherche documentaire.

Sciences expérimentales et mathématiques

Au cycle 3, le maître peut plus fréquemment réinvestir des connaissances mathématiques dans le cadre d’activités expérimentales ou technologiques. Il est également possible d’introduire certains concepts mathématiques à l’occasion de la mise en œuvre d’une problématique basée sur une situation issue de l’enseignement des sciences et de la technologie.

Une éventuelle imbrication des activités expérimentales et mathématiques doit toujours être justifiée par son intérêt dans le cadre de l’étude de la situation étudiée. Elle ne doit pas être transformée en une manipulation artificielle de concepts mathématiques qui dénaturerait l’étude expérimentale entreprise.

Principaux objectifs du cycle 3

Au cycle 3, on dépasse les distinctions qualitatives repérées au cycle précédent pour découvrir, sous les effets apparents, quelques causes ou relations dont ces effets dépendent. Des comparaisons méthodiques permettent d’établir un petit nombre de propriétés ou de classifications plus générales. Toutefois, on n’entreprend pas, à ce stade, d’amener l’élève à distinguer entre les différentes sciences expérimentales. On s’attache seulement à ce qu’il acquiert les bases qui lui permettront d’aborder ces disciplines avec profit au collège. Les rubriques de cette partie du programme ne correspondent pas toutes de façon univoque à une discipline déterminée : les états de l’eau et la dissolution relèvent aussi bien à ce niveau de la physique que de la chimie, les circuits électriques et les leviers de la physique que de la technologie, la boussole et les points cardinaux de la physique que de la géographie ou de l’astronomie, le cycle de l’eau fait appel aussi bien à la biologie, à la géologie qu’à la physique. La différenciation disciplinaire n’est à ce niveau ni simple, ni essentielle. Elle n’a pas à être perçue par l’élève et le maître recherchera une vision aussi unifiée que possible. Les objets de connaissance exposés dans le programme sont présentés dans un ordre logique par rapport à l’acquisition des connaissances, sans référence à un découpage entre des rubriques disciplinaires supposées.

Dans cette perspective, les principaux objectifs de l’enseignement des sciences et de la technologie du cycle 3 sont les suivants :

– commencer à former un esprit scientifique ; – repérer un petit nombre de propriétés de la matière en relation avec ses changements d’état (solide, liquide, gazeux), les mélanges et les solutions ; – caractériser certaines spécificités et fonctions du vivant qui marquent l’unité et la diversité des formes de vie : comparaison de quelques types de reproduction ; première approche des notions d’espèce et d’évolution ; principes élémentaires de deux grandes fonctions : la nutrition et le mouvement ; – observer méthodiquement les effets les plus quotidiens de quelques phénomènes astronomiques (« course du Soleil », durée des jours et des nuits…), puis construire des modèles très simplifiés qui en donnent une première explication ; – s’initier à quelques savoir-faire techniques : recherche et choix raisonné d’outils ou de solutions en vue d’une réalisation ; construction de circuits électriques simples ; leviers et balances ; – s’agissant des technologies de l’information et de la communication (TIC), les compétences, connaissances et savoir-faire cités dans le brevet informatique et Internet (B2i, niveau 1) font partie du programme.

Les contenus scientifiques et les niveaux de formulation des items des rubriques de ce document sont précisés dans les « fiches connaissances » qui font l’objet d’une publication séparée dans cette même collection. Celles-ci sont référencées en tête de chaque partie. Les enseignants peuvent également se reporter à ces fiches pour prendre connaissance des difficultés liées au vocabulaire courant et aux représentations préalables des élèves.